亞音速壁板顫振模型設(shè)計(jì)及風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)

施海健，楊翊仁，龔 慶，范晨光

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031)

由于高速列車(chē)車(chē)體采用流線(xiàn)形設(shè)計(jì)以最大程度地減小空氣阻力，因此在高速列車(chē)車(chē)體中存在著大量的蒙皮等壁板結(jié)構(gòu)［1］。隨著高速列車(chē)的不斷提速，低速運(yùn)行時(shí)被合理忽略的氣動(dòng)力將成為影響列車(chē)高速行駛安全的主要因素［2］?，F(xiàn)階段對(duì)于壁板結(jié)構(gòu)的研究主要集中在超音速領(lǐng)域。對(duì)于亞音速壁板，尤其是對(duì)應(yīng)于高速列車(chē)運(yùn)行馬赫數(shù)為0.3左右的低亞音速壁板，國(guó)內(nèi)外的研究還比較少見(jiàn)。Li Peng等［3］從理論上研究了基于微分求積法的彈性板在亞音速流中的穩(wěn)定性。然而，利用模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法對(duì)亞音速壁板系統(tǒng)進(jìn)行研究的工作極為鮮見(jiàn)，僅有少數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)邊簡(jiǎn)支板可在馬赫數(shù)為0.125時(shí)發(fā)生顫振［4］。因此，有必要對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行深入研究。本文采用模型風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對(duì)亞音速壁板的氣動(dòng)彈性特性進(jìn)行研究，以期拓展亞音速壁板氣動(dòng)彈性特性的研究方法。

1 亞音速壁板低速顫振模型設(shè)計(jì)

1.1 二維亞音速壁板顫振模型

實(shí)際列車(chē)上使用的壁板結(jié)構(gòu)大多為型材。列車(chē)運(yùn)行的速度為300～400 km/h，而且高速列車(chē)壁板不僅受氣動(dòng)力激勵(lì)，還受輪軌激擾作用影響，因而其響應(yīng)會(huì)比較明顯。文獻(xiàn)［5－6］研究了外激勵(lì)作用下和參數(shù)激勵(lì)下系統(tǒng)的響應(yīng)。考慮到試驗(yàn)風(fēng)洞的最大風(fēng)速為45 m/s，且除氣動(dòng)力之外的激勵(lì)可以忽略，還要使壁板模型有較明顯的便于觀(guān)察、測(cè)量的振動(dòng)。依據(jù)理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了如表1所示的幾種二維懸臂支承壁板模型，探討了不同長(zhǎng)寬比對(duì)壁板二維特性的影響。二維壁板模型設(shè)計(jì)有2個(gè)要素必須滿(mǎn)足:一是壁板變形呈現(xiàn)二維特性;二是壁板單側(cè)受流，另一側(cè)流體相對(duì)保持靜態(tài)。

對(duì)于壁板的二維特性，本文采用大長(zhǎng)寬比模型來(lái)實(shí)現(xiàn)(參見(jiàn)表1)。為了實(shí)現(xiàn)壁板模型的單側(cè)受風(fēng)，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的導(dǎo)流裝置。該裝置由一個(gè)近似封閉的空腔構(gòu)成，其前導(dǎo)流面與前緩沖區(qū)域可以保證流場(chǎng)在受大的擾動(dòng)后流經(jīng)壁板模型處仍為均勻流場(chǎng)，而后導(dǎo)流面與后緩沖區(qū)可以使壁板模型避開(kāi)尾流的影響。裝置背面完全密閉。壁板模型的左端用平頭螺釘固定，右端與上、下側(cè)均自由。為避免壁板模型橫向振動(dòng)受影響，壁板模型與導(dǎo)流面之間留有2 mm間隙，從而模擬二維懸臂薄板情況。整個(gè)裝置相對(duì)密閉，可以用來(lái)模擬壁板模型單側(cè)受均勻氣流作用。

圖1 導(dǎo)流裝置示意圖

表1 壁板模型尺寸與理論計(jì)算

1.2 模型支架的設(shè)計(jì)及安裝位置

模型支架的設(shè)計(jì)要求對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)盡量小，受來(lái)風(fēng)激勵(lì)后導(dǎo)流裝置產(chǎn)生的響應(yīng)可以忽略?；谏鲜鲈瓌t，支架借鑒籃球架子的設(shè)計(jì)，由60 mm×60 mm×4 mm的箱型鋼焊接而成，在保證導(dǎo)流裝置處于風(fēng)洞口正中間的情況下，盡量使支架遠(yuǎn)離洞口。模型支架三視圖如圖2所示。同時(shí)，把支架焊接在長(zhǎng)1 200 mm，寬600 mm，厚10 mm的鋼板上，再把鋼板固定在試驗(yàn)臺(tái)上。鑒于整個(gè)支架的迎風(fēng)面很小，因而相對(duì)于氣流作用而言，其剛度已足夠大，導(dǎo)流裝置幾乎不動(dòng)。

圖2 模型支架三視圖

2 模型風(fēng)洞試驗(yàn)方法

本文采用非接觸式動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集方法，利用Polytec激光測(cè)振儀采集數(shù)據(jù)，對(duì)壁板模型的中點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)數(shù)據(jù)采集，測(cè)振儀及響應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)試設(shè)備，確保激光能打在模型壁板中點(diǎn)處，且有良好的信號(hào)反饋。之后，在風(fēng)洞控制臺(tái)上選用手動(dòng)擋調(diào)節(jié)風(fēng)速，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，同時(shí)注意控制臺(tái)屏幕上風(fēng)速的變化。在風(fēng)速達(dá)到10 m/s之后，速度每增加1 m/s觀(guān)察壁板模型的氣動(dòng)彈性響應(yīng)特性，直到壁板出現(xiàn)等幅振動(dòng)為止。而后采用DASYLab軟件進(jìn)行分析。分析系統(tǒng)如圖4所示。對(duì)于某一特定風(fēng)速，壁板模型的氣動(dòng)彈性響應(yīng)特性可以從虛擬系統(tǒng)繪制的頻譜圖中得出，從而判斷壁板模型所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖3 Polytec激光測(cè)振儀及響應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置

圖4 虛擬測(cè)試分析系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，壁板模型的長(zhǎng)寬比大于10時(shí)的二維特性較好。下面僅就長(zhǎng)寬厚分別為450、40、0.4 mm的不銹鋼壁板模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。由數(shù)值分析得知，顫振臨界速度為18.1 m/s。試驗(yàn)得到的頻譜圖如圖5、6所示。

圖5 風(fēng)速為19.0 m/s的頻譜圖

圖6 風(fēng)速為21.0 m/s的頻譜圖

從圖5可以看出:當(dāng)風(fēng)速為19.0 m/s時(shí)，壁板模型總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖6顯示，當(dāng)風(fēng)速為21.0 m/s時(shí)頻譜圖中出現(xiàn)單峰值。由此可以斷定，在此風(fēng)速下壁板模型發(fā)生了顫振。理論分析得到的顫振臨界速度值與風(fēng)洞試驗(yàn)得到的臨界顫振速度的相對(duì)誤差為13.8%。產(chǎn)生誤差的原因很多，主要有以下3點(diǎn):①壁板模型與空腔之間存在間隙，壁板振動(dòng)時(shí)會(huì)擾動(dòng)空腔內(nèi)的氣體，從而在壁板下游區(qū)域形成尾流擾動(dòng);② 懸臂二維壁板的固支端是由4個(gè)平頭螺釘固定的，這種連接方式不能構(gòu)建絕對(duì)的固定端，導(dǎo)致支承剛度減弱;③在吹風(fēng)時(shí)，由于壁板模型一側(cè)受流，受流面的壓強(qiáng)比不受流面的壓強(qiáng)要小，使得懸臂壁板的平衡位置發(fā)生偏移，進(jìn)而使壁板模型與來(lái)流之間存在一定的攻角。

盡管顫振臨界速度的理論值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值存在一定的誤差，但這個(gè)誤差是在可接受的范圍之內(nèi)?？傮w上看，試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信。

4 結(jié)論

本文對(duì)亞音速二維壁板顫振模型進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，采用非接觸式動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集方法，探索了風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，并利用DASYLab專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行處理，觀(guān)察到了壁板模型的顫振現(xiàn)象，得到如下結(jié)論:

1)壁板模型的長(zhǎng)寬比宜在10左右，過(guò)長(zhǎng)易受外界擾動(dòng)影響，過(guò)短則不能良好體現(xiàn)壁板的二維特性。

2)采用平緩弧面與一定的緩沖區(qū)域可以使流場(chǎng)受到強(qiáng)擾動(dòng)后恢復(fù)均勻。不可忽略尾流的影響，因而要使用距試驗(yàn)區(qū)一定距離的弧面來(lái)盡可能降低尾流對(duì)試驗(yàn)區(qū)的擾動(dòng)。

3)壁板模型較薄，因而小擾動(dòng)即可在自由端產(chǎn)生大的響應(yīng)，故而宜對(duì)壁板模型的中部進(jìn)行非接觸式數(shù)據(jù)采集，以降低誤差。

［1］李鵬，楊翊仁，魯麗.激勵(lì)作用下亞音速二維壁板的復(fù)雜響應(yīng)研究［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28(6):864－871.

［2］Schetz J A.Aerodynamics of high － speed trains［J］.Annual Review of Fluid Mechanics，2001，33:371 －414.

［3］Li Peng，Yang Yiren.Instability Analysis of Fluid and E-lastic Panel System Based on the Differential Quadrature Method.Mechanic Automation and Control Engineering(MACE)［C］//2011 Second International Conference.2011:2258－2262.

［4］Dugundji J，Dowell E，Perkin B.Subsonic flutter of panels on continuous elastic foundations［J］.AIAA Journal，1963，1(5):1146 －1154.

［5］Wang Lin，Ni Qiao，Huang Yuying.Bifurcations and Chaos in a Forced Cantilever System with Impacts［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，296(4/5):1068－1078.

［6］Kenfack A.Bifurcation Structure of Two Coupled Periodically Driven Double-well Duffing Oscillators［J］.Chaos，Solitons and Fractals，2003，15(2):205 －218.